Расчет горения топлива
Составприродного и доменного газов, %.Газ CO
СО2
СН4
С2Н4
С2Н6
С3Н8
С4Н10
H2
N2
О2
W
г/м3 Природный - 0.5 87.6 1.3 2.9 0.8 0.5 - 5.7 0.7 - Доменный 27.6 9.8 0.7 - - - - 3.5 58.1 0.3 45
1.Пересчитываем состав сухого газа на влажный. Объем влаги в 100м3 доменногогаза:
Н2О=(W*100)/(803.6+W)=(45*100)/(803.6+45)=5.3%
2.Коэффициент пересчета на влажный газ:
kд=(100-5.3)/100=0.947
3. Состав влажного доменного газа:
СОвл=kд*СО=0.947*27.6=26.14%
СО2вл=kд*СО2=0.947*9.8=9.28%
СН4вл=kд*СН4=0.947*0.7=0.66%
Н2вл=kд*Н2=0.947*3.5=3.31%
N2вл=kд*N2=0.947*58.1=55.02%
О2вл=kд*О2=0.947*0.3=0.28%
4. Состав влажных газовв%:Газ
СО2 СО
Н2
N2
СН4
О2
Н2О Доменный 9.28 26.14 3.31 55.02 0.66 0.28 3.6
5. Вычислим теплоту сгорания газов:
а)дляприродного газа:
/>=0.127CO+0.108H2+0.358CH4+0.586C2H4+0.636C2H6+
+0.913C3H8+1.185C4H10=0.358*87.6+0.586*1.3+0.636*2.9+
+0.913*0.8+1.185*0.5=35.28[мДж/м3]
б)длядоменного газа:
/>=0.127CO+0.108H2+0.357CH4=0.127*26.14+0.108*3.31++0.358*0.66=3.91[мДж/м3].
6. Определим состав смеси. Долядоменного газа в смеси:
1-X– природный газ
X – доменный газ
х=(/>-/>)/(/>-/>)=(35.28-8)/(35.28-3.91)=
=0.869[мДж/м3].
7. Доля природного газа:
1-х=1-0.869=0.131
8. Состав смешанного газа:
СОсм=СОд*х+СОп(1-х)=26.14*0.869=22.7%
СО2см=СО2д*х+СО2п(1-х)=9.28*0.869+0.5*0.131=8.13%
СН4см=СН4д*х+СН4п(1-х)=0.66*0.869+87.6*0.131=12.05%
С2Н4см=С2Н4д*х+С2Н4п(1-х)=1.3*0.131=0.17%
С2Н6см=С2Н6д*х+С2Н6п(1-х)=2.9*0.131=0.38%
С3Н8см=С3Н8д*х+С3Н8п(1-х)=0.8*0.131=0.1%
С4Н10см=С4Н10д*х+С4Н10п(1-х)=0.5*0.131=0.06%
Н2см=Н2д*х+Н2п(1-х)=3.31*0.869=2.87%
N2см=N2д*х+N2п(1-х)=55.02*0.869+5.7*0.131=48.56%
О2см=О2д*х+О2п(1-х)=0.28*0.869+0.7*0.131=0.33%
H2Oсм=Н2Од*х+Н2Оп(1-х)=5.3*0.869=4.6%
Составсмешанного газа в %:Газ CO
СО2
СН4
С2Н4
С2Н6
С3Н8
С4Н10
H2
N2
О2
W
г/м3 ПДС 22,7 8,13 12,05 0,17 0,38 0,1 0,06 2,87 48,56 0,33 4,6
9. Расход кислорода на горение:
/>=0,01*((22,7+2,87)*0,5+2*12,05+3*0,17+3,5*0,38+5*0,1+
+6,5*0,06-0,33)=0,393[м3/м3].
10.Теоретически необходимое количество воздуха:
L0=(1+3,762)*0,393=1,87[м3/м3].
11.Действительное количество воздуха при n=1.1:
Lд=n*L0=1.1*1,87=2.06[м3/м3].
12.Количествопродуктов горения:
a)Vсо2=(СО+СО2+СН4+2С2Н4+2С2Н6+3С3Н8+4С4Н10)*0.01=
(22,7+8,13+12,05+2*0,17+2*0,38+3*0,1+4*0,06)*
*0.01=0.4452[м3/м3]
б)Vн2о=(2СН4+2С2Н4+Н2+Н2О+3С2Н6+4С3Н8+5С4Н10)0.01=
=(2,87+2*12,05+2*0,17+3*0,38+4*0,1+5*0,06+4,6)*
*0.01=0.3375[м3/м3]
в)VN2=0,01N2+nkVо2=0,01*48,56+1,1*3,762*0,393=
=2.1119[м3/м3]
г)V°о2=(n-1)*Vо2=(1.1-1)*0,393=0.0393[м3/м3]
13.Общее количество продуктов горения:
Vпс=Vсо2+Vн2о+VN2+Vо2=0.4452+0.3375+2.1119+0.0393=
=2.9339[м3/м3]
14.Составпродуктов горения:
СО2=(Vсо2*100%)/Vпс=(0.4452*100%)/2,9339=15.17%
Н2О=(Vн2о*100%)/Vпс=(0.3375*100%)/2,9339=11,5%
N2=(VN2*100%)/Vпс=(2.1119*100%)/2,9339=71,98%
О2=(Vо2*100%)/Vпс=(0.0393*100%)/2,9339=1.35%
Составпродуктов горения в %:
СО2
Н2О
N2
О2 Сумма 15,17% 11,5% 71,98% 1,35% 100%
15.Теплота сгорания природно-доменной смеси (по заданию): 8[мДж/м3].
Определениеколичества продуктов сгорания, поступающих в насадку, и его параметров
16. Определяем энтальпию продуктовсгорания;
приймемtв=20°C, iв=26.1 [кдж/м3]
/> =/>=2745.07[кДж/м3].
Определяемкалориметрическую температуру продуктов сгорания. В первом приближениикалориметрическую температуру продуктов сгорания принимаем равной t’кал=1600°С.
/>
i1600=/>=
=2630,89 [кДж/м3]
Таккак i0>i1600, принимаем более высокую температуру 1700°С.
Энтальпияпродуктов сгорания при этой температуре
i1700=2813,52[кДж/м3]
Посколькуi0
tкал=t’кал+/>
tкал=1600+/>=1662,5°С
18.Действительная температура продуктов сгорания:
tд=htкал=0.95*1662,5=1579,4°С
tдн=0.97*1579.4=1532°С
tд¢=1500°С
19.Определяем энтальпию продуктов сгорания:
а)на входе в насадку (при tд¢=1500°С): iдн=(3545,34*15.17+2758.39*11,5+2170,55*71,98+
+2296,78*1.35)/100=2448,41[кДж/м3].
б)на выходе из насадки (низ). Принимаем среднюю за период температуру уходящих изнасадки газов tдк=250°С:
iдк=(470,2*15.17+384.46*11,5+327*71,98+339.56*1.35)/
/100=355,5[кДж/м3]
20.Определяем средний за воздушный период расход воздуха. Принимаем, что пути отверха насадки до печи температура дутья понижается на 20°С.
tвмин=tвк+20=1200+20=1220°С.
Этатемпература соответствует концу периода нагрева дутья. Для предварительныхрасчетов принимаем, что в течение воздушного периода температура воздухапонижается на величину Dtв¢¢=200°С.Тогда средняя температура воздуха на выходе из насадки в течение воздушногопериода составит:
tвкср=tвмин+Dtв¢¢/2=1220+200/2=1320°С.
Этойтемпературе соответствует энтальпия:
iвк=1908,18[кДж/м3].
Согласнозаданию на проектирование объем дутья
Vв=195000[м3/час]. Это максимальное количество воздуха, которое пройдет черезвоздухонагреватель к концу воздушного дутья периода. Средний расход дутья завоздушный период определим из соотношения:
/>
20.Определяем требуемый расход топлива. Требуемый расход топлива Vгопределим из уравнения теплового баланса насадки за цикл её нагрева иохлаждения.
VгVпс(0.95iдн-ідк)tд=Vвср(івк-івн)tв,
отсюда
/>:
где0.95 – коэффициент, учитывающий потери тепла в насадке;
івн– энтальпия воздуха на входе в насадку. Температура воздуха на входе в насадку tвн=170°С(после воздуходувки), что соответствует её энтальпии івн=222,65[кДж/м3];
tди tв– длительность дымового ивоздушного периода, час.
Предварительнопринимаем tд=2.0час, а время, затрачиваемое на перекидку клапанов tп=0.1 час. При числе воздухонагревателей п=4 длительность воздушного периодабудет равна:
/>
Продолжительностьцикла:
tS=tд+tв=2.0+0.7=2.7[час].
РасходПДС:
/>
Расходдоменного газа:
Vпс=Vсм*0.869=18415*0,869=16003[м3/ч]
Расходприродного газа:
Vкг=Vсм*0.131=18415*0.131=2412[м3/ч]
21.Количество воздуха необходимое для горения топлива:
Vв=LдVг=2.06*18415=37935[м3/ч]
22.Количество продуктов сгорания поступающих в насадку:
Vпс=VдVг=2,93*18415=53956[м3/ч]
Предварительное определение поверхности
нагрева насадки
23.Определяем количество тепла, затраченное на нагрев воздуха:
Qв=Vвср(івк-івн)tв=180227(1908,18-222,65)0.7=
=2,1264*108[кДж/цикл]
24.Средне логарифмическая разность температур °C:
/>
25.Средние за период температуры дыма и воздуха:
/>
26.Средние температуры верха и низа насадки:
а)дымовой период:
/>
б) воздушный период:
/>
27.Определение коэффициента теплоотдачи для верха и низа насадки. Для определениятеплоотдачи конвекцией aкди aкв воспользуемсяформулой:
Nu=ARen
Значениекоэффициентов А и п: 0.0346 и 0.8 соответственно.
Результатывычислений приведены в таблице.
28.Примем скорость продуктов сгорания при нормальных условиях Wод=2м/с. Тогда скорость воздуха при нормальных условиях будет:
/>
29.Действительную скорость продуктов сгорания определяем по формуле:
а)для верха насадки
/>
б)для низа насадки
/>
30.Так как воздуходувка подает воздух под давлением Р=354.5 [кПа], тодействительную скорость воздуха для верха и низа насадки найдем по формуле:
/> ,
гдеР0=101.3 кПа, Т0=273°К
а)для верха насадки
/>
б)для низа насадки
/>
31.Коэффициенты теплоотдачи для верха и низа насадки.Параметры и единицы измерения
Расчет форму
ла Предварительный расчет Уточненный расчет Верх Низ Верх Низ Дым Возд Дым Возд Возд Возд Средние за период темпе- ратуры дыма и воздуха 1187,5 1032,5 562,5 457,5 - -
Коэф. Теплопровод ности l*102 вт/м°С 12,47 8,32 6,95 5,09 - -
Кинематический коэф вязкости u*106 м2/с 218,7 182,85 87,75 72,63 - - Определяющий диаметр канала, м 0,031 0,031 0,031 0,031 - - Действительная скорость продуктов сгорания и воздуха м/с 10,7 9,13 6,12 5,11 - - Критерий Рейнольдса 1516,69 1547,88 2162,05 2181,05 - - Критерий Нуссельта 12,13 12,33 16,1 16,22 - -
Коэф теплоотдачи конвекций aк, вт/м2°С
/> 49,48 33,09 36,09 26,63 - -
Коэф теплоотдачи излучением aл, вт/м2°С 8,2 - 4 - - -
Суммарный коэф теплоотдачи, вт/м2°С
aк+ aл 56,68 33,09 40,09 26,63 - -
Теплофизические параметры материала насадки
32.Средние температуры верха (динас) и низа (шамот) насадки:
/>
33.Теплофизические параметры материала насадки – теплоемкость Ср,коэффициент теплопроводности l в зависимости отсредней температуры определяем по формулам:
Динас: />
/>
Шамот: />
/>/>
34.Эквивалентная полутолщина кирпича:
V,f1, f2 – живое сечение насадки.
/>
V=0.7 [м3/м3], f1=38.1[м2/м3], f2=0.2925[м2/м3]
(изметодического пособия №127)
/>
35.Коэффициент аккумуляции тепла кладкой определяем по формуле:
/>
вследствиепреобразований получаем:
а)динас
/>
б)шамот
/>
Теплофизическиепараметры материала насадки и коэффициент аккумуляции тепла для верха и низарегенеративной насадки.
Параметры и еденицы измерения
Расчет
ная формула Предварительный расчет Уточненный расчет Верх Низ Верх Низ Динас Шамот Динас Шамот Средняя температура насадки, °С 1110 510 - - Объемная плотность, r,
кг/м3 2000 2025 - - Коэф теплопроводности l, вт/м°С 2 1.11 - -
Теплоемкость Ср, кДж/кг°С 1.29 1.08 - - Коэф температуропро водност.
а м2/ч 0.00279 0.00182 - - Критерий Фурье 22.15 14.45 - - Коэф аккумуляции 0.943 0.915 - -
Таккак полученные значения коэффициента аккумуляции тепла hк
36.Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи:
/>
Тогдасуммарный коэффициент теплопередачи для верха насадки:
/>
для низа насадки:
/>
37. Среднийкоэффициент теплоотдачи для всей насадки:
/>
38. Поверхность нагрева насадки:
/>
39. Объем насадки:
V=F/f1=44441/38.1=1166 м2
40. Площадьпоперечного сечения насадки в свету:
/>
41.Общая площадь горизонтального сечения насадки:
/>
42. Высота насадки:
/>
Определениеизменения температуры воздуха
за воздушный период
43.Теплоемкость потока воздуха:
/>
44. Теплоемкость насадки:
/>
45. Теплоемкость потока дыма:
/>
/>
тогда:
/>
/>
46.Определяем значение условий постоянной времени воздушного периода, т.е. время,в течение которого температура воздуха на выходе из насадки изменяясь спостоянной скоростью, достигла бы значения Dt´´=200°С:
/>
/>
47.Определяем изменение температуры на выходе из насадки в течение воздушногопериода:
/>
Посколькуполученное значение Dt´´мало отличается от принятого при предварительном расчете (Dt´´=200°С),повторять расчет нет необходимости: